文/李柏翰，江政龍，蘇萬生
國立臺灣科學教育館主導研發的《蠟燭燃燒機密解碼》，參加國家晶片系統設計中心舉辦的「2017年MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽」，獲得銅牌大獎，成績斐然；蠟燭燃燒實驗研究團隊成員為李柏翰、蔡宜臻、黃郁涵、郭昱、楊松諭等國立臺灣師範大學附屬高級中學師生和國立臺灣科學教育館蘇萬生博士。
物聯網(Internet of Things，簡稱IoT)是目前火紅的議題，當所有的儀器都有置入式感測器與無線方式連結手機與電腦時，這個物聯網的概念頓時使得物件之間的互動性增趣不少，當初「物聯網」這個名詞是在1999年由凱文‧阿什頓（Kevin Ashton）所提出的，後來演變成為目前的流行名詞。試想配合人手一支的手機加上無線傳輸的便利性，結合國中理化實驗儀器的偵測，這應該是很酷的點子，如果將IoT連結到中小學的實驗，那麼學生們上實驗課的場域又該是一個怎樣的光景？本文帶領大家利用所看過的國中理化課程，一個密閉容器蠟燭燃燒實驗，結合國家晶片系統設計中心開發的MorSensor測定晶片，設計一套完整實作流程來一探究竟。
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什麼是物聯網
那麼到底什麼是物聯網(IoT) [1-3]呢 ? 以自動販賣機的使用為例，自動販賣機操作大家都沒有問題，可是如果透過遠端操作的方式來使用自動販賣機，那就會需要不少相關技術，例如需要將自動販賣機數量偵測器連接上網路，然後用攝影機等偵測器用以監控販賣機內的各種參數(如飲料數量、銷售溫度、現金流量的狀況等)，這種基於網路連結所有的裝置，利用遠端操控物件之間的交流，其實就是一種所謂物聯網概念的雛形。
一般而言，物聯網的偵測器設計可分為三層架構--應用層、網路層與感測層，這三層平時可以獨立運作，卻又環環相扣。例如，感測層所讀取到數據，偵測、識別與控制元件所量測到的訊號，透過實測網路將資訊蒐集並傳遞至網路層，應用層則是分析比對後判斷各種資料、重新整合計算，來滿足各種使用端的任務需求，而網路層就像是感測層與應用層的聯接橋梁，彼此互相合作來達成分析偵測與傳輸的功用，以國家晶片系統設計中心(National Chip Implementation Center，CIC)開發出一套MorSensor無線感測積木來說明(如圖1)，可以看到三層架構的設計理念。
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圖1. MorSensor感測積木的基本裝置元件說明，紅色為電源積木，橘色為運算/通訊積木，藍色為感測積木，此時為酒精感測積木[4]。
CIC 的MorSensor
這套MorSensor無線感測積木是在2013年問世(如圖2所示)，這是一種利用重組與模組化的整合式感測平台，設計的方式為多層連接的架構，可以應用於各式不同的感測器，例如測量酒精、色彩、溫溼度、UV、血氧濃度、麥克風、IR距離，IR影像、超音波測距、大氣壓力、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度等12 種晶片，配合手機提供的 App 軟體，可以方便使用藍芽及無線操控，目前已進入量產市售階段(規格如表1所示)，可以利用wifi及藍芽傳輸數據。這些便利的組合可以解決實驗室量測等訊號傳輸問題，例如遇到需要水層隔絕的密閉系統，或者是密閉空間數值取得的研究時，都可以用無線傳輸訊號。
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圖2. 國家晶片系統設計中心(CIC)開發出的MorSensor套件
表1. MorSensor 各硬體積木/模組規格 [4]
利用「物聯網」可以將偵測器所量測到的數據收集起來，匯聚成大數據資料庫，雲端再建立資料庫分析中心，便可以透過大數據函式庫做各種分析，面對突發狀況或一些緊急事件做預測及處理，進行相關的應對(例如鐵道車禍處理、逢年過節的交通運輸、道路重新設計以減少車禍、都市更新、災害預測與犯罪防治等等)，這些物與物互相聯結的Talk，已經成為現代社會發展必要之一環，如果能多搭配MorSensor為偵測端來介紹物聯網，則是不錯的選擇。國立交通大學林一平教授團隊發表的論文中已經利用MorSensor所開發出「物聯網」室內植物生長箱等設計[5]，充分發揮IoT精神(詳細介紹如圖3所示)，利用wifi、HTTP、3G等無線傳輸，配合手機與IoT talk平台設計，可以建構出簡易版的MorSensor「物聯網」。
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圖3. The IoTtalk 平台(IDA --: IoT Device App Application, DA :-- Device App Application, DB --: Database, GUI --: Graphical User Interface --: 圖形使用者介面，EC --: Execution and Communication)[5]
所以這套MorSensor 感測積木可以說是「物聯網」IoT的偵測端的代表，使用起來簡單方便，而且像是積木一般組合使用，非常適合中小學老師用來當作感測器來設計實驗。而相關的Android App之教材及教具開發，也是開放式的，可以給學生訓練App模組。例如國中理化課程在之前舊課綱時代有一個密閉容器蠟燭燃燒實驗[6-7]，利用水面上升來偵測氧氣含量的變化，這個實驗原則上是屬於一種定性的實驗分析，在過去如果要定量分析氣體含量的變化，實驗難度極高[8-11]，原因是密閉系統以及器材置入水中的實驗，使得探測器裝置取得數值不易，所以IoT的概念在這邊比較容易發揮，就讓我們利用MorSensor來看看如何量測密閉容器蠟燭燃燒實驗設計吧。
借重MorSensor的蠟燭燃燒實驗
本實驗是利用國家晶片系統設計中心開發的MorSensor氣壓測定晶片，配合加入油層隔絕水層與空氣。實驗中可以觀測密閉容器中因油層隔絕水體與密閉空氣的分布狀況，並同步偵測燃燒蠟燭的氣壓與二氧化碳濃度的變化，觀察有油層及無油層的條件下氣壓與二氧化碳濃度隨時間變化之分布情形，進而找出二氧化碳可溶於水的物理證據。並且利用改良的螺絲蠟燭，比較能有效地控制燭火燃燒時間以及火力，最後也進行PH探測儀檢測水質的酸鹼度來檢測二氧化碳溶解程度。這個密閉空間MorSensor測定晶片使用經驗，對中小學老師和學生在實驗設計課程上有所助益，甚至可以當作使用MorSensor的參考範例。
加入溫度變因的討論，設置了許多溫度感測器在燒瓶內進行測量，發現溫度的確是影響水位變化的因素，文獻[8]給出蠟燭燃燒實驗的發展歷史介紹，點出問題所在，文獻[9-11]探討一些蠟燭燃燒實驗常見的謬論與耗氧說等，這些文獻非常完整地探討了密閉空間蠟燭燃燒實驗，這些研究方法及結論給了我們很大的啟發，但是我們並未到看到加入油層隔絕空氣的蠟燭燃燒實驗細節；所以本實驗鎖定加入油層隔絕空氣的氣壓與二氧化碳隨時間變化情形來探討，當作範例來介紹IoT的設計。因為蠟燭本身也扮演不確定的因素，即使是相同長度的蠟燭，燃燒起來狀況也不盡相同；所以本實驗嘗試改善此因素，自製一種新型的簡單的螺絲蠟燭(如圖4)，就是將蠟燭重新融化填入螺絲，縮短蠟燭本身長度，並且統一規格，期許能控制螺絲蠟燭燃燒狀況至一致的情形下，大小重量控制成相同，棉線長度相同，利用螺絲蠟燭體積小，所以比較容易精準控制。另一個探討因素為加入油層來隔絕水層與空氣，因為蠟燭燃燒會產生大量的二氧化碳，而二氧化碳本身是略溶於水的；所以本實驗嘗試加入油層的控制，試圖加入油層隔絕水與空氣後，探討密閉空間的氣壓與二氧化碳濃度隨時間之分布曲線。而溫度這項因素非常難掌控，所以本實驗排除溫度影響的討論，利用長時間靜置，儘量來排除溫度效應。而且在本實驗中，我們利用CIC所開發的MorSensor作為偵測的積木，再利用油膜隔絕氣體的實驗，利用偵測器使我們能對螺絲蠟燭燃燒導致氣壓與二氧化碳變化做更進一步的探討。
研究方法與工具
一、實驗器材
實驗器材如表2所列。
表2. 密閉空間螺絲蠟燭燃燒實驗所需器材
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二、實驗設計：密閉空間螺絲蠟燭燃燒，藉加入油層與否來進行氣壓及二氧化碳濃度偵測
(一) 無油層螺絲蠟燭燃燒實驗步驟 (氣壓及二氧化碳濃度偵測)
放置5顆螺絲蠟燭放在我們所開發的4格載具(自製的3D列印作品)，每格可放入1個螺絲蠟燭，加水後，右邊放入MorSensor感測器，點燃蠟燭，蓋上小型玻璃缸，待燭火熄滅，繼續量測，每5分鐘量測中型玻璃缸外面水體中的PH值，記錄下來，實驗過程如圖4所示。
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圖4. 閉螺絲蠟燭燃燒無油層實驗示意(利用MorSensor記錄氣壓或二氧化碳數值，測量實驗前後PH數值，水位高度H)
(二) 有油層螺絲蠟燭燃燒實驗步驟 (氣壓及二氧化碳濃度偵測)
放置5顆螺絲蠟燭，放在4格載具，加水後，倒入500 cc 沙拉油於中型玻璃缸，右邊放入MorSensor感測器，其餘步驟如上，實驗過程如圖5所示。
實際實驗情形，如圖6所示。
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圖5. 閉螺絲蠟燭燃燒有油層實驗示意(利用MorSensor記錄氣壓或二氧化碳數值，測量實驗前後PH數值，水位與高度H)
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圖6. 實驗過程中，實際實驗情形
(A)密閉空間置入5顆螺絲蠟燭燃燒熄滅後，繼續量測氣壓，與PH值
(B)密閉空間置入5顆螺絲蠟燭燃燒，水位高度H測試示意圖，右邊為量尺
(C)純水放在燒杯，當作對照組PH值測試
(D) 密閉空間5顆螺絲蠟燭燃燒熄滅後，量測PH值
結果與討論
一、CO2濃度測試與油層隔絕CO2能力分析
本實驗的重點之一在於利用油層隔絕CO2，H2O防止氣體溶入水中，試圖找出CO2濃度對時間分布的曲線，並研究油層隔絕CO2能力，根據實驗含油層與不含油層實驗結果如圖7和8。
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圖7. 密閉空間置入5顆螺絲蠟燭燃燒CO2濃度對時間圖，紅色方框線為加入油層於水上隔絕實驗CO2濃度，藍色三角線為只有水層實驗CO2濃度，黑色虛橫線為MorSensor偵測CO2濃度數據的可靠值標準10000 ppm標準線
由圖7發現，有油層隔絕的情形下，紅色方框線12秒即超過10000 ppm標準值，因為Morsensor CO2偵測積木有效偵測範圍350~10000 ppm，藍色三角線35秒才超過標準。可見有油層隔絕的情形下，CO2濃度陡升，代表隔絕效果不錯，而且紅色方框線CO2濃度趨勢一直是增加的，藍色三角線最後約略趨於定值。如果只觀察前50秒，圖形放大如圖8所示，對小於10000 ppm標準值兩種狀況進行適當範圍的線性回歸分析(fitting) (m1為紅色方框線7~12秒fitting直線斜率，m2為藍色三角線16~35秒fitting直線斜率)，則可得到直線斜率m1 =1444.4和R2= 0.99，m2 =330.5和R2= 0.97，因為m1> m2，而且m1斜率為m2 4.4倍，可見有油層時，隔絕CO2效果很顯著。
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圖8.為圖7前50秒放大圖，m1為紅色方框線7~12秒fitting直線斜率，m2為藍色三角線16~35秒fitting直線斜率，m1 =1444.4，m2 =330.5，選取範圍是為了避開初始值中非線性的數值
二、大氣壓力測試與PH值測試結果
密閉空間螺絲蠟燭燃燒大氣壓力測試，這個部分實驗是想利用圖7有油層時隔絕CO2效果很顯著的條件，來探討油層隔絕時大氣壓力隨時間分布。如圖9所示，紅色方框線為有油實驗氣壓，藍色三角線為無油實驗氣壓，前40秒氣壓下降的趨勢差不多，而無油實驗下降△P 比較大，△P定義成氣壓下降穩定後與初始值P0的差值，△P/P0 = 0.29%，有油實驗下降△P 比較小，△P/P0 = 0.33%，這個實驗可以發現有油層時隔絕時，氣壓下降較小，可以視為CO2溶於水的物理證據。而水位變化為 H=2.0 到 4.0，所以氣體體積變化為△V/V = 15.4%，這結果和氧氣比例約占20%不太一致，氣氣消耗說根本不正確這點和文獻[6，9]是相符的。
關於PH分析如圖10所示，可得知0~30分鐘長時間靜置，紅色方框線為有油實驗PH值，藍色三角線為無油實驗PH值，不論是有油與無油實驗，5顆螺絲蠟燭燃燒過程中的中型玻璃缸水裏PH值在7.1~7.5之間，變化不大，代表CO2對水溶解量不多，對PH影響有限，有油隔絕實驗，則PH變化幅度較小。我們並將純水加入油層，裝在玻璃燒杯中當作對照組，剛開始時PH=7.4，30分後PH=7.2，而無油的實驗，只有純水在燒杯，開始時PH=7.5，30分鐘後PH=7.2，與圖8的PH結果相近，代表長時間靜置，有油與無油的背景PH值穩定，跟油層無關以及量測所放置的鐵管無關。
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圖9. 密閉空間置入5顆螺絲蠟燭燃燒大氣壓力測試，紅色方框線為加入油層於水上隔絕實驗氣壓線，藍色三角線為只有水層實驗氣壓線
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圖10. 密閉空間置入5顆螺絲蠟燭燃燒過程之有油與無油實驗(外側中玻璃缸水中PH數值對時間作圖，紅色方框線為加入油層PH值，藍色三角線為無油層PH值)
三、討論
圖9的氣壓圖與文獻[9]氣壓分布一致，代表螺絲蠟燭氣壓實驗有其精準度，而圖8加入油層於水上隔絕實驗的結果，CO2濃度很快的超過可靠值標準10000 ppm，而且紅色方框線斜率遠大於藍色三角形線，因此認為油層隔絕CO2濃度，很有效果可以確認隔絕效果。一般討論影響蠟燭燃燒實驗的因素有很多，溫度也是其中一項，我們靜置30分後，水位都不再改變，代表盡量降低溫度效應的因素影響。
蠟燭燃燒的化學式為：
其中氧氣及二氧化碳係數的差異，會造成內玻璃缸中氣體體積的減少，使氣壓降低、水面上升(因為靜置30分鐘，所以忽略Ｈ2O為氣態的莫耳數)，這點符合實驗結果，我們也觀察到熄滅瞬間，水位上升較為迅速的現象，估計是與溫度有關。而二氧化碳溶於水的氣壓變化實驗，因為無油實驗下降△P比較大，△P/P0 = 0.33%，有油實驗下降△P 比較小，△P/P0 = 0.29%，數值很接近，這完全是靠MorSensor的精準度才有辦法得知，所以加入油層的確改變氣壓隨時間變化曲線，這點是其他文獻所沒有提到的，所以利用MorSensor IoT實驗有機會量化實驗數據，最經典的例子是在2017年我們組隊CandleBurn團隊以《蠟燭燃燒機密解碼》作品(如圖11)，在科教館博士蘇萬生協助下，進行一系列MorSensor實驗檢測蠟燭燃燒，量測出蠟燭燃燒精確細微的氣壓變化，最後設計出一款偵測氣壓並畫出二維(2D)氣壓圖形的手機App程式(如圖12)，且能夠直接儲存成文字檔數據，方便後端繪圖分析，透過全新的感測晶片科技與IoT概念，使我們對實驗結果更加精準分析，這個方法相當方便在中學實驗教育中使用。
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圖11. 國立臺灣師範大學附屬高級中學團隊以蔡宜臻隊長為首，在指導老師李柏翰博士帶領下，組成CandleBurn團隊，是16件決賽作品中唯一成員都是高中生的隊伍，以《蠟燭燃燒機密解碼》作品獲得銅牌獎。[12]
結論
IoT的設計結合手機App，已經蔚為趨勢，本文所述實驗利用MorSensor來進行中小學蠟燭燃燒實驗當作範例，發現蠟燭燃燒水位上升不一定是直接氧氣消耗所造成，由此可知在舊的國中理化課本中以「耗氧說」來解釋水位上升的說法有一些不合理之處。而本實驗重新設計實驗並搭配MorSensor感測器的運用，改進了原本實驗中只能觀察現象而不能定量分析的限制，透過氣壓及二氧化碳數據的分析，得知水位上升的主要是因下列三點交互影響所造成：氣體熱脹冷縮、氧氣燃燒轉變為二氧化碳的莫耳數差異，以及二氧化碳溶於水。
本實驗利用MorSensor精確測出氣壓及二氧化碳變化曲線，輔助以螺絲蠟燭的設計和油層的隔絕，成功地得到CO2溶於水的精細物理證據，透過PH值探測，得知PH變化不大，可見CO2溶於水的數量很小，和我們的實驗結果很小氣壓變化一致。本次實驗設計利用MorSensor測定晶片所量測出氣壓與二氧化碳數值變化過程，當MorSensor 感測積木加上手機都可以傳輸接受訊號時，這對中小學實驗而言，無疑是相當大的量測幫助。所以MorSensor 感測積木非常適合學術界，適合教師用來當作感測器展示系統、嵌入式系統軟硬體及Android App 開發相關課程之教材及教具，本實驗團隊也利用Android Studio來開發MorSensoExp 手機App，如圖12所示。
圖12. 本團隊所開發的MorSensor App介面設計範例—量測氣壓示範
本文的發想是希望能夠幫助教師和學生實驗課程所需定量分析的技巧，利用IoT概念結合MorSensor測定晶片，使理化實驗也能有尖端科技的量測，進而看到更多的實驗成果背後之物理，提升中小學教師實驗教學的品質。
誌謝
感謝國家晶片系統設計中心 (CIC)吳建明博士與黃俊銘博士的協助和提供我們相關的諮詢，以及國立臺灣師範大學附屬高級中學研究團隊蔡宜臻、黃郁涵、郭昱、楊松諭。
國家晶片系統設計中心(CIC)已於2019年元月起與國家奈米元件實驗室(NDL)整併為台灣半導體研究中心(TSRI)，詳見官網。
參考文獻
[1] wiki物聯網。
[2] 物聯網。(火紅的物聯網名詞到底是什麼?物聯網的歷史回顧)。
[3] Jeremy Landt, J (2001, October 1). Shrouds of time: The history of RFID. The Association of Automatic Identification and Data capture Technologies (AIM).
[4] MorSensor 無線感測積木說明文件。取自http://www.cic.org.tw/pdf/MorSensor_doc.pdf
[5] Lin, Y. B., Lin, Y. W., Huang, C. M., Chih, C. Y., & Lin, P. (2017). IoT talk: A Management Platform for Reconfigurable Sensor Devices. IEEE Internet of Things Journal, 4, 1552-1562.
[6] 沈映廷、劉菀真、郭力仰（2000）。 步步高升。中華民國第四十屆中小學科學展覽會。
[7] 國立編譯館主編(1997)。國民小學自然科學教學指引第九冊（五上，改編本三版）。
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[10] Birk, J. P. & Lawson, A. E. (1999). The persistence of the candle-and-cylinder misconception. Journal of Chemical Education, 76(9), 914-916.
[11] Vitz, E. (2000). Paradoxes, puzzles, and pitfalls of incomplete combustion demonstrations. Journal of Chemical Education, 77(8), 1011–1013.
[12] 國立臺灣科學教育館主導研發的《化學色影術》及《蠟燭燃燒機密解碼》等兩項作品，參加國家晶片系統設計中心舉辦的「2017年MorSensor無線感測積木創意應用設計競賽」，分別獲得金牌及銅牌大獎，成績斐然。
文/李柏翰1,2，江政龍3，蘇萬生4
1國立臺灣師範大學附屬高級中學
2國立臺北科技大學光電工程系
3國家實驗研究院台灣半導體研究中心
4國立臺灣科學教育館